工程机械中大型薄壁焊接件加工方法的探讨.pdf

2012年5月 第40卷第1O期 机床与液压 MACHINE TOOL&HYDRAULICS Mav 2012 Vo1．40 No．10 DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2012．10．017 工程机械中大型薄壁焊接件加工方法的探讨 周文 (南通纺织职业技术学院，江苏南通226007) 摘要：根据薄壁焊接件工艺特点，分析薄壁焊接件的加工难点，从加工效率、加工精度等角度出发，给出了工艺路线 和加工方案，针对加工中出现的问题给出了具体的解决措施。 关键词：加工方案；薄壁焊接件 中图分类号：TH162．1；TG531 文献标识码：B 文章编号：1001—3881(2012)10—053—3 Discussion on the Process of Thin-thickness Welding Workpiece Using in Engineering Machine ZH0U Wen (Nantong Textile Vocational Technology College，Nantong Jiangsu 226007，China) Abstract：The machining difficulties of thin—thickness welding workpiece were analyzed according to its process features．From the aspects of machining efficiency and precision，the process routine and plan of the workpiece were given．Aiming at problems OC- curred in machining of the workpiece，specific measures were provided． Keywords：Machining plan；Thin—thickness welding workpiece 在工程机械领域，有些零件结构比较复杂，主要 由若干侧壁和腹板组成，壁厚较薄，不宜整体铸造， 广泛采用焊接件。这些零件一般刚度较低，加工工艺 性差，易产生加工变形，其加工工艺复杂，加工精度 很难保证…。 作者针对压路机中大型薄壁焊接件的工艺特点及 生产实际要求，对这类零件的加工方法及加工中出现 的问题进行了探讨，给出了工艺设计原则及具体的工 艺措施。 1 大型薄壁焊接件零件分析 1．1 大型薄壁焊接件的切削加工特点 如图1所示的零件是某压路机中的焊接式振动轮 结构简图，零件尺寸比较大，同时壁厚较薄，是典型 的薄壁焊接件。加工这类零件时，由于工件刚性不 足，常产生热变形、夹紧变形、机械振动等现象，影 响工件的加工精度和表面质量。 针对上述现象，可以从加工的不同过程来分析提 高薄壁件制造精度的工艺方法，包括在加工前进行预 处理及加工后的调整、优化调整加工工艺方案 等措 施。这些措施在一定程度上能提高薄壁箱体零件的加 工精度，但不能从根本上解决问题，还需要采取其他 的工艺措施和方法。 图1焊接式振动轮结构简图 I．2 大型薄壁焊接件的基本情况与加工关键 从图1可以看出，该零件为薄壁焊接件，零件的 外表面为圆柱面，其主要加工表面为两个~b260 mm 的孔及其端面、两个(b480 mm的孔以及两个 1O mm的孔及其端面。零件加工表面的表面粗糙度要求 最高为Ra3．2 m，要求不高。 根据设计要求，内孔+2600“㈣、4,480o“唧及位 置度要求回 亟甄固、回 亟Ⅱ 和匹匝圈是该零 件最主要的加工难点。由于该零件加工刚性差，加工 中易产生加工和装夹变形，这就决定了该零件的工序 设计、机床选择、刀具选择、工艺路线的安排以及工 件的装夹方式等成为该工件加工合格与否的关键所 在。 收稿日期：2011—05—06 作者简介：周文(1971一)，男，工程师，主要从事先进机械设计制造教学与研究工作。E—mail：rixingzhou@126．COB。 ·54· 机床与液压 第40卷 2零件加工工艺过程设计 2．1 零件工艺设计的原则 根据上述对该零件的结构特点和加工难点的分 析，为保证加工精度，焊接式振动轮加工工艺设计中 应遵循以下一些原则： (1)加工设备选型。根据零件的结构尺寸和加 工要求特点，零件的加工主要选择在专用卧式双面镗 床上进行，该机床采用高速技术并有一定的调整范 围。少量工序，如零件的两个端面及两端面上的倒角 在普通的卧式镗铣床上加工。 (2)工序集中原则。由于焊接式振动轮尺寸比 较大，安装、调整不方便，因此其加工工艺尽量安排 在一次装夹中完成。如两个qb260 mm的孔及其端面 的加工，为保证孔的同轴度及端面与孔垂直度要求， 在工序安排上，粗加工与精加工分开进行。 (3)刀具的选用。孔的精加工采用高精度防振 精镗刀具，端面的精加工采用CBN高速轻质动平衡 平面盘铣刀。 (4)夹具的设计与选用。为保证装夹方便可靠， 采用螺钉压板式专用镗床夹具。 2．2零件加工工艺基准的选择 由于振动轮尺寸较大，且为薄壁零件，选择合理 的加工工艺基准是保证零件加工质量的关键。在选择 定位基准时，必须考虑振动轮的工作环境和特点。振 动轮工作时，只需要保证孑L的轴线与振动轮外圆柱面 平行就可以了，因此，对于振动轮的加工，可以选择 相同的表面为粗、精基准。此时选择基准的主要目的 是保证各主要加工孔 的余量均匀。在振动 轮的加工中，为满足 上述要求，应选择外 圆表面和端面为主要 基准。零件的定位夹 紧方案如图2所示。 图2零件定位夹紧示意图 2．3零件加工工艺路线 针对焊接式振动轮的结构特点，制订出零件的加 工工艺路线：焊接件(零件两端倒角气割加工)一龙 门铣加工两端面一卧式双面镗床粗镗2个+260 mm 孔及端面一粗镗2个 80 mm的孔以及两个6610 mm的孔及其端面一半精镗2个+260 mm的孔，保证 两孔的同轴度，并留0．5 mm的精镗孔加工余量一半 精镗2个 80 mm的孔，留0．8 mm的精镗孔加工余 量一精镗孔2—4,260o 蕊 、2—6480o 到尺寸，保 证各自的同轴度要求一精镗车2—6610 mm孔的底 面，保证尺寸9 mm一精镗车2一~b260o 孔的端面， 保证尺寸260±0．2 mm。 3保证零件加工精度的主要工艺措施 对于图1所示的焊接式薄壁零件，影响零件加工 精度的因素除了机床的精度外，还包括加工采用的切 削用量、加工中产生的切削热、加工中的振动和工艺 系统的刚度等因素，如图3所示。为保证零件的设计 使用要求，在工艺上采取以下的一些措施。 园 图3影响薄壁零件加工精度的主要因素 3．1 零件~．y--前进行预处理以减小焊接和弯曲应力 由于零件为薄壁焊接件，零件焊接后存在比较大 的焊接应力和弯曲应力。这些应力在零件的加工中会 逐步释放出来，使工件变形，从而破坏零件加工后的 精度。为了最大限度消除上述应力对加工精度的影 响，保证零件加工要求，零件在粗加工前就进行较长 时间的自然时效处理，对焊缝等重要部位进行喷丸处 理，以消除和减小焊接和弯曲应力。 由于焊接应力和弯曲应力不可能完全消除，因 此，在安排焊接工序时，应尽量使焊接应力对称均匀 分布，从而使变形对称均匀分布，以减少加工误差。 3．2合理安排零件的加工顺序以消除切削应力 焊接式振动轮的主要加工表面是平面和孔。一般 来说，保证平面的加工精度比保证孔的加工精度容 易。因此，加工过程中的主要问题是保证孔的尺寸精 度及位置精度，处理好孔和平面之间的相互关系。 箱体类零件的加工应遵循“先面后孔”的原则， 即先加工箱体上的基准平面，再以基准平面定位加工 其他平面，然后再加工孔。振动轮的加工也应遵循这 一原则。同时，在加工过程中还应遵循粗精加工分开 的原则，将孔与平面的加工明确划分成粗加工阶段和 精加工阶段，并且在平面与孔的粗加工完成后，将夹 紧元件松开并停机一段时间，尽可能释放机械加工产 生的切削应力，然后再进行精加工，从而减小加工变 形以保证孔的加工精度。 3．3 定期检查机床两端主轴的同轴度 孔的同轴度及孔对端面的垂直度要求主要由机床 和加工工艺保证，因此在完成一定零件的加工以后， 应用万能量具定期对机床两端主轴的同轴度进行检 查，以保证机床主轴的同轴度要求，从而保证零件的 加工要求。 3．4采用高速加工技术 在振动轮的加工中，孔的同轴度主要由机床主轴 的同轴度来保证。同时，振动轮一般批量生产，要求 有比较高的生产率，这就对机床提出了较高的要求。 高速加工技术的发展，为薄壁零件的加工开辟了 新的途径。高速加工的切削力比普通切削加工减少大 约30％，同时，工件的温升低，热变形小，因而可 第l0期 周文：工程机械中大型薄壁焊接件加工方法的探讨 ·55· 大大减少切削过程中热应力的产生。配合数控技术， 目前振动轮的加工已开始采用这一技术。 3．4．1 焊接式振动轮高速加工的切削效率 振动轮高速切削效率可以用单位时间内金属去除 量 来表示，其定量计算可由经验公式V=w／t计算。 当切削深度n 不大时，单位时间内材料切除率，可 以表示为切削速度 、进给量．厂和切削深度o 的乘 积，即 =了W 咖 式中：W为切削过程总的金属去除量，通常为加工余 量，mm ；t为切削所用时间，rain。 图4振动轮镗孔加工示意图 上述计算公式与传统切削理论的金属切削加工效 率的计算公式区别不大，但在高速切削加工条件下， 虽然切削深度小，但由于主轴转速为常规切削主轴转 速的5～l0倍，进给速度也快得多，因而，单位时间 内的金属去除量反而增加，加工效率也大大提高。对 于振动轮的加工来说，采用高速切削加工具有更为明 显的效率优势。 3．4．2焊接式振动轮高速加工的加工误差 (1)孔的尺寸误差 图4为振动轮孔的加工示意图，加工时其他切削 力对刀具系统变形的影响与主切削力F(F可视为集 中力)相比可以忽略不计。又由于刀柄与机床主轴的 连接刚度远大于刀杆本身的刚度，因此，根据材料力 学理论，刀具系统可简化为受集中力F作用下的一端 固定一端自由的悬臂梁 ，即图5所示的力学模型。 图5镗刀与镗刀杆简化的力学模型 在集中力F作用下，刀具系统沿F方向产生的 变形量Y可由下式计算： y= 6El 式中：F为主切削力； E为刀具系统的刚度； ，为旋转刀具的惯性矩。 刀具系统的最大变形量发生在 =L处： Ym (2) ax —3E—I Lz 由切削原理，加工材料为碳素结构钢时，主切削 力经验公式为F一1 640a~~斛 4]，代人式(2)，得 n，0 0 L Y 547 (3) 这一变形将通过工艺系统的变形附加到零件的加 工误差上去。分析式(2)、(3)，刀具状态、切削用 量中的切削深度和进给量对零件的加工精度有很大的 影响。为了保证加工精度，必须选择刚度大的刀具系 统；同时，在保证切削效率的情况下，尽可能减小切 削深度和进给量，从而减小刀具系统的变形，以提高 加工精度。 加工时，选用锥度为1：10的HSK型刀柄，其锥 体比标准的7：24锥度短，锥柄部位采用薄壁结构。 HSK型刀柄在联结时，利用双重定位配合原则，在 足够拉紧力作用下，HSK型锥柄和主轴锥孔在整个 锥面之间产生摩擦，提供封闭结构的径向定位、平面 夹紧定位阻止任何轴向窜动，因而具有很高的联结刚 性 。又由于高速加工时主切削力比一般切削要小得 多，刀具系统在主切削力作用下的最大变形很小，对 孔的加工精度的影响也很小。 (2)孔的同轴度误差 镗孔采用双面机床加工，机床伸出主轴，伸出的 镗杆实际上可以简化为一个悬臂梁，由于高速镗孔时 主切削力大为减小，由切削力引起的镗杆变形可以忽 略，此时孔的同轴度误差主要由机床两个主轴的同轴 度来保证。 4结束语 通过上述方法加工振动轮，抽样检查了10件样 品，两端64800 孔的同轴度为0．045 mrn，中间 +26o0㈣ 孔的同轴度为0．065 mrfl。高~nmtt常规加工 的效率提高约5倍，而表面加工质量也优于常规加工。 上述检验数据表明：与常规加工方法相比，焊接 式振动轮的高速切削加工具有加工效率高、工件表面 质量好等明显优势。 参考文献： 【1】左敦稳．现代加工技术[M]．北京：北京航空航天大学出 版社，2005：386—387． 【2】艾兴．高速切削加工技术[M]．北京：国防工业出版社， 2003：4—5． 【3】刘鸿文．材料力学[M]．北京：高等教育出版社，1983： 229—230． 【4】周泽华．金属切削原理[M]．上海：上海科学技术出版 社，1992：87—89． 【5】李海田．新型工具系统一空心短锥工具系统[J]．组合 机床与自动化加工技术，1997，10(1)：37—46．